Řešení problému s kuřetem a vejci – „krok blíže k obnovení zdroje života“

Tým Ludwig-Maximilians-University (LMU) v Mnichově ukázal, že mírné změny vRNA Molekuly (tRNA) umožňují sestavit se do funkční jednotky, která dokáže exponenciálně replikovat informace. tRNA jsou klíčovými prvky ve vývoji forem raného života.

Život, jak ho známe, je založen na komplexní síti interakcí, které se v mikroskopickém měřítku vyskytují v biologických buňkách a zahrnují tisíce odlišných molekulárních druhů. V našem těle se každý den opakuje nespočetkrát jeden zásadní proces. Při akci známé jako replikace replikují proteiny genetickou informaci zakódovanou v DNA Molekuly uložené v buněčném jádru – než je během dělení rovnoměrně rozdělíte na dvě dceřiné buňky. Informace se selektivně kopírují („přepisují“) do takzvaných messengerových molekul RNA (mRNA), které řídí syntézu mnoha různých proteinů požadovaných pro buněčný typ. MRNA pro proteiny. Transferové RNA slouží jako mediátory mezi mRNA a proteiny: zajišťují, abykyselina Podjednotky, z nichž je každý konkrétní protein složen, se skládají ze sekvence specifikované příslušnou mRNA.

Jak by mohla existovat taková složitá souhra mezi replikací DNA a translací mRNA do proteinů, když se živé systémy poprvé vyvinuly na Zemi brzy? Máme zde klasický příklad problému s kuřaty a vejci: pro přepis genetické informace jsou vyžadovány proteiny, ale jejich syntéza závisí na přepisu.

Fyzici LMU pod vedením profesora Dietera Browna nyní demonstrovali, jak lze tuto hádanku vyřešit. Ukázali, že nepatrné změny ve strukturách moderních molekul tRNA jim umožňují autonomní interakci za účelem vytvoření jakési replikačního modulu schopného exponenciálně replikovat informace. Toto zjištění naznačuje, že tRNA – hlavní mediátory mezi transkripcí a translací v moderních buňkách – mohly být také rozhodujícím spojením mezi replikací a translací v nejranějších systémech života. Může tedy poskytnout spořádané řešení otázky, co bylo dřív – genetické informace nebo bílkoviny?

Pozoruhodné je, že pokud jde o jejich sekvence a obecnou strukturu, jsou tRNA vysoce konzervativní ve všech třech oblastech života, jmenovitě archeaách a jednobuněčných bakteriích (bez buněčného jádra) a Eukaryota (organismy, jejichž buňky obsahují skutečné jádro). Tato skutečnost sama o sobě naznačuje, že tRNA patří mezi nejčasnější molekuly v biosféře.

Stejně jako pozdější etapy vývoje života, ani vývoj replikace a překladu – a složitý vztah mezi nimi – nebyly výsledkem jednoho náhlého kroku. To je pochopitelnější, když vyvrcholením evoluční cesty. „V tomto vývoji pravděpodobně hrály důležitou roli základní jevy, jako je sebereplikace, auto-smrtící analýza, sebeorganizace a kompartmentalizace,“ říká Dieter Brown. „A obecněji, takové fyzikální a chemické procesy zcela závisí na dostupnosti prostředí, které poskytuje nevyvážené podmínky.“

Ve svých experimentech Brown a kolegové použili řadu vzájemně se doplňujících řetězců DNA podle charakteristického tvaru moderních tRNA. Každá byla složena ze dvou „vlásen“ (tzv. Vlásenky), protože každý pramen se může částečně přizpůsobit sám sobě a vytvořit podlouhlou smyčkovou strukturu) a je oddělen střední informační sekvencí. Osm takových řetězců může interagovat spárováním komplementárních bází za vzniku komplexu. V souladu se vzory párování diktovanými centrálními informačními oblastmi byl tento komplex schopen kódovat čtyřmístný binární kód.

Každý experiment začíná šablonou – informační strukturou skládající se ze dvou typů klíčových informačních sekvencí, které definují binární sekvenci. Tato sekvence diktovala tvar komplementární molekuly, se kterou může interagovat v dostupném řetězci. Vědci pokračovali v demonstraci, že vzorovanou binární strukturu lze kopírovat, tj. Zesílit, použitím opakované sekvence teplotních výkyvů mezi teplem a chladem. „Je proto možné, že takový replikační mechanismus mohl existovat v hydrotermálním mikrosystému na počátku Země,“ říká Brown. Zejména vodné roztoky zachycené v porézních horninách na mořském dně by poskytovaly pohodlné prostředí pro takovéto reakční cykly, protože je známo, že v takovém prostředí dochází k přirozeným výkyvům teploty způsobeným konvekčními proudy.

Během procesu kopírování se doplňková vlákna (získaná z fondu molekul) integrují s informačním segmentem templátových vláken. V průběhu času se sousední vlásenky těchto pramenů také spojí a vytvoří stabilní páteř a kolísání teploty nadále řídí proces zesílení. Pokud se teplota na krátkou dobu zvýší, prameny vzorů se oddělí od nově vytvořeného replikátoru a oba mohou být použity jako prameny vzorů v dalším replikačním kole.

Tým dokázal, že systém je schopen duplikovat exponenty. Toto je důležité zjištění, protože ukazuje, že mechanismus replikace je zvláště odolný vůči kolapsu kvůli hromadění chyb. Skutečnost, že struktura samotného replikujícího se komplexu je podobná struktuře moderní tRNA, naznačuje, že rané formy tRNA se mohly účastnit procesů molekulární replikace, než dostaly molekuly tRNA svou moderní roli při překladu RNA sekvencí poslů na proteiny. „Tato vazba mezi replikací a překladem v časném evolučním scénáři by mohla poskytnout řešení problému s kuřaty a vejci,“ říká Alexandra Kohenleinová. Může také vysvětlit typický tvar roto-tRNA a objasnit roli tRNA před jejich výběrem pro použití v překladu.

Laboratorní výzkum původu života a vzniku darwinovské evoluce na úrovni chemických polymerů má také důsledky pro budoucnost biotechnologií. „Naše výzkumy časných molekulárních forem replikace a objevení vazby mezi replikací a translací nás přivádí o krok blíže k rekonstrukci zdroje života,“ uzavírá Brown.

Odkaz: „Sekvence tRNA mohou sestavit replikátor“ od Alexandry Kohenlein, Simona A. Lantzmicha a Dietera Browna, 2. března 2021, eLife.
DOI: 10,7554 / eLife.63431

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Objeven vzácný supravodič – může být rozhodující pro budoucnost kvantové práce na počítači

Výzkum vedený Kentem a laboratoří STFC Rutherford Appleton Laboratory vedl k objevu nového vzácného topologického supravodiče LaPt3P. Tento objev může mít velký význam pro...

Mimořádný příklad toho, jak voda a led mohou formovat zemi

29. května 2021 Jedna z největších delt na světě je pozoruhodným příkladem toho, jak voda a led mohou formovat pevninu. Delta Yukon-Kuskokswim je jednou z největších...

Prehistorický typ člověka, který byl dříve vědě neznámý

Statická lebka, dolní čelist a temenní pravopis. Fotografický kredit: Tel Avivská univerzita Dramatický objev během izraelských vykopávek Objev nové homo skupiny v této oblasti, která...

Jak vznikla supermasivní černá díra

Výzkum vedený Kalifornskou univerzitou, Riverside poukázal na semeno černé díry vytvořené zhroucením halo temné hmoty. Supermasivní černé díry neboli SMBH jsou černé díry s hmotností...

MIT dosahuje významného pokroku směrem k plné implementaci kvantového výpočtu

Nastavitelná spojka může zapnout a vypnout interakci qubit-qubit. Nežádoucí, zbytkové (ZZ) interakce mezi dvěma qubity jsou eliminovány použitím vyšších úrovní energie v konektoru....

Newsletter

Subscribe to stay updated.